OES封面 | 声子辅助吸收的光电导开关(转化效率近100%)【中山大学郑伟教授团队】

传统光电导开关多依赖砷化镓等材料，但其击穿场强和高压工作能力有限，难以支撑高功率微波系统的小型化发展；新兴氧化镓基开关虽具备超宽禁带、高热稳定性等材料优势，但现有器件普遍采用杂质能级吸收的激发方式，存在电压转换效率低、导通损耗大的瓶颈，制约了工程化应用。针对这一瓶颈，中山大学郑伟教授团队提出了基于声子辅助吸收的载流子激发新机制，并联合上海光机所齐红基研究员团队（提供超高质量铁掺杂氧化镓单晶）、上海激光等离子体研究所隋展研究员团队（支撑高功率性能测试与应用场景验证），成功研制出转化效率近100%的氧化镓光电导开关，相关成果以封面论文发表于英文期刊Opto-Electronic Science。

典型半导体材料击穿场强对比显示，氧化镓相比砷化镓、碳化硅等材料具备显著的高耐压优势，为高功率器件提供了理想的材料基础（图 1）。实验测试表明，该开关在4000 V偏置电压、1.98 mJ激发能量下，峰值输出电压达3957 V，电压转换效率高达98.93%，接近理论极限；同时实现17.7 MW/cm²的峰值输出功率密度，且在50~4000 V宽偏压范围内保持优异稳定性，输出电压相对偏差半高宽仅3.01%（图 2）。

图1 大功率光电导开关作为高功率微波系统的关键器件，能够用于民用机场等关键基础设施的低空安防保障。该工作使用具有高耐压优势的氧化镓制备光电导开关，并基于声子辅助吸收机制实现了高达98.93%的电压转换效率

图2 氧化镓光电导半导体开关在50~4000 V宽偏压范围内具有优异的性能，其电压转换效率可达98.93%，峰值输出功率密度可达17.7 MW/cm²

郑伟教授团队原创提出并验证的声子辅助吸收光电导机制，区别于传统杂质能级吸收方案，该机制通过声子耦合实现氧化镓晶体内部的高效载流子体激发，从底层载流子激发逻辑上突破了电压转换效率的瓶颈。团队独立完成了该机制的理论建模与光谱学验证，通过变温光致发光实验首次直接观测到266 nm激光激发下的声子辅助跃迁行为，为该机制提供了坚实的实验证据（图 3）。这一原创性设计不仅实现了当前报道中氧化镓光电导开关的最优综合性能，更打破了行业对超宽禁带半导体光电导器件激发方式的固有认知，为高功率微波系统向高效率、高功率密度和轻量化方向发展提供了全新的核心技术支撑，也为低空安防等关键场景的实用化装备研发奠定了关键器件基础。

图3 氧化镓晶体的光学表征，在266 nm激光激发下，其内部电子在声子的辅助下实现带间跃迁

【基金支持】该工作得到了国家自然科学基金项目(62374186)的支持。